新一代音頻DAC的架構(gòu)原理
本文介紹了歐勝微電子公司最新一代音頻數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)的架構(gòu),專注于設(shè)計(jì)用于消費(fèi)電子應(yīng)用中提供高電壓線驅(qū)動(dòng)器輸出的新器件系列。
基本原理
增量累加調(diào)制器通常用復(fù)雜的術(shù)語進(jìn)行描述,使用數(shù)學(xué)公式、狀態(tài)表和理論模型。盡管所有這些對(duì)于理解增量累加調(diào)制的復(fù)雜性是必要的,對(duì)于本文的目的來說關(guān)鍵是了解SDM架構(gòu)的好處以及他們?cè)谝纛l轉(zhuǎn)換器IC中的應(yīng)用。
增量累加調(diào)制的兩個(gè)基本原理是:
● 過采樣
采樣過程產(chǎn)生量化誤差;輸出處的采樣電平和期望的輸出電平之間的差值。量化噪聲的能量取決于音頻轉(zhuǎn)換器的分辨率,分散到采樣頻率的帶寬上。
奈奎斯特采樣原理表明,為準(zhǔn)確對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行從模擬到數(shù)字域的轉(zhuǎn)換,信號(hào)必須在信號(hào)最高頻率分量的頻率的兩倍進(jìn)行采樣。最高頻率分量也稱為奈奎斯特頻率。對(duì)于音頻,典型的帶寬在20Hz到20KHz之間,采樣頻率傾向于44.1KHz(對(duì)于CD音頻)到192kHz(DVD音頻)。
采樣頻率低于奈奎斯特頻率的兩倍,會(huì)導(dǎo)致混疊,輸入信號(hào)以奈奎斯特頻率附近的鏡像折疊回到音頻頻段。
在SDM轉(zhuǎn)換器中,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器工作在遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奈奎斯特頻率兩倍的頻率上,通常是在最低采樣頻率的128倍~768倍。
過采樣過程將量化噪聲在比其他數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法更寬的帶寬上擴(kuò)散量化噪聲,因此在音頻頻段內(nèi)的量化噪聲就非常少。
● 噪聲整形
除了在很寬的頻譜上擴(kuò)散量化噪聲外,SDM還用作低通濾波器來對(duì)輸入信號(hào)濾波,一個(gè)高通濾波器對(duì)量化噪聲濾波,將量化噪聲推倒音頻頻帶之外。對(duì)于ADC,這允許在不減少SNR的情況下,轉(zhuǎn)換器使用更少的比特?cái)?shù)。
過采樣的要求意味著增量累加調(diào)制器設(shè)計(jì)最適合低帶寬應(yīng)用,例如音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,例如音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
設(shè)計(jì)考慮
基于SDM的架構(gòu)很復(fù)雜,設(shè)計(jì)師有很多選項(xiàng)來針對(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵的折中考慮階數(shù)、分辨率和架構(gòu)拓?fù)洹?/p>
增量累加調(diào)制器的階數(shù):
一階和二階SDM本身是很穩(wěn)定的,產(chǎn)生很大的帶內(nèi)噪聲,但是具有很低的帶外噪聲。高階SDM能有條件穩(wěn)定,會(huì)產(chǎn)生更大的帶外噪聲,因此對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)很敏感。
歐勝微電子公司最近的DAC架構(gòu)基于二階增量累加調(diào)制解調(diào)器,驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘速度很高以減少帶內(nèi)噪聲,因此對(duì)于時(shí)鐘抖動(dòng)不敏感。
● DAC分辨率
DAC分辨率的增加降低了量化誤差,因此改善了DAC的理論信噪比(SNR)。
對(duì)于每個(gè)比特的分辨率,理論的最大SNR近似為6xn,這里n是比特位數(shù)。因此,24比特的音頻DAC理論的最大SNR接近144dB。
歐勝公司的DAC設(shè)計(jì)是基于5比特或6比特轉(zhuǎn)換器,結(jié)合SDM架構(gòu)提供最高24比特的分辨率。
不同的噪聲源,包括模擬和數(shù)字噪聲,SNR不能達(dá)到理論的最大值-144dB。然而,因?yàn)樵O(shè)計(jì)方法改善,歐勝每一代的高性能DAC努力接近理論最大值。
性能、穩(wěn)定性、尺寸和成本直接受上面的設(shè)計(jì)問題影響。
● DAC架構(gòu)
可以認(rèn)為典型的增量累加DAC 包含下面的要素:插入濾波器—增加有效的比特率,允許DAC對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行過采樣。
歐勝使用三階級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器(CIC)來對(duì)8fs~128fs的鏡像進(jìn)行衰減。這種方法對(duì)于輸入采樣率若干倍的頻率分量的衰減很大,改善了DAC對(duì)于時(shí)鐘抖動(dòng)的耐受性。
增量累加調(diào)制器—具有過采樣和噪聲整形優(yōu)點(diǎn),這對(duì)于上面介紹的高性能音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換來說很關(guān)鍵。
數(shù)模轉(zhuǎn)換器—將SDM輸出轉(zhuǎn)換成模擬輸出。使用開關(guān)電容方法來精確地控制輸出電壓,通過噪聲整形器對(duì)引入的噪聲進(jìn)行濾波,進(jìn)一步提高對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)的免疫力。
歐勝采用的專利方法包括獨(dú)特的動(dòng)態(tài)單元匹配(DEM)方案,這能使電容失配誤差最小,與其它可選的方案相比較,大大改善了DAC線性度。
低通濾波器—去除任何保留的高頻分量,實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)最準(zhǔn)確的再現(xiàn)。
事實(shí)上,這4個(gè)單元之間不是完全孤立的模塊,在這些模塊之間處理某些功能。
● 輸出電平要求
音頻DAC通常輸出一個(gè)滿刻度信號(hào),在5V電源供電條件下,電平在1.0 Vrms~1.1Vrms之間,當(dāng)電源電壓為3.3V時(shí)為0.66Vrms~0.72Vrms。在主流的應(yīng)用中,DAC的輸出被饋入到有源電路,它有兩個(gè)目的:
低通濾波器—它能去除在轉(zhuǎn)換過程中固有的高頻噪聲。
放大器—輸出電平通常增加到2Vrms,它需要高電壓電源軌(通常在9V~12V之間)對(duì)外部電路的有源器件進(jìn)行供電。它的實(shí)現(xiàn)有幾個(gè)原因,包括滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、提供對(duì)噪聲的耐受性,以及滿足與音頻設(shè)備接口的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。
為什么是2Vrms呢?
各種正式的和事實(shí)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都得到了發(fā)展,這些標(biāo)準(zhǔn)要求在消費(fèi)音頻設(shè)備(例如DVD刻錄機(jī))和電視之間使用2Vrms的線電平。然而,存在一個(gè)普遍的誤解,認(rèn)為信號(hào)電平必須為2Vrms加上或減去一個(gè)規(guī)定的公差。事實(shí)上,在大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)測(cè)試中,音頻設(shè)備,例如DVD刻錄機(jī)必須能接受最大為2Vrms加上一個(gè)公差的信號(hào)電平。像DVD播放器這樣的設(shè)備必須的輸出電平不能超過2Vrms加上公差。對(duì)于信號(hào)電平并沒有最小的規(guī)范,盡管為滿足某些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),輸出信號(hào)電平必須在1Vrms左右。
總之,音頻發(fā)送器必須輸出在1Vrms~2Vrms之間的信號(hào)電平,音頻接收器必須能接收最高為2Vrms的輸入信號(hào)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)消費(fèi)音頻IC的電源為5V或3.3V,不可能從5V的電源產(chǎn)生2Vrms,設(shè)計(jì)師不得已采用外部有源器件來從DAC電路產(chǎn)生所需要的輸出電平。
WM8501和WM8522
歐勝微電子在設(shè)計(jì)中考慮了這些線電平需求,設(shè)計(jì)出了新的系列音頻器件,這些器件的輸出模擬音頻信號(hào)為1.7Vrms的線電平,電源為5V。這滿足了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),不再需要對(duì)DAC輸出進(jìn)行升壓的高電壓電源軌需求。這種高電壓軌在某些應(yīng)用中依然需要,例如SCART信號(hào)處理。但這并不是在所有應(yīng)用中都要求,消除12V的電源軌以及相關(guān)的電源走線、DAC輸出濾波器的有源器件以及相關(guān)的PCB空間,實(shí)現(xiàn)了大量成本節(jié)省和電路面積的減小。
在DAC輸出處采用無源濾波器可以得到相同的高質(zhì)量音頻輸出。與要求用于提供必要的增益,以將1.0Vrms放大到 2.0Vrms的有源濾波器相比,復(fù)雜度和成本都大大降低。
WM8501是一款立體聲音頻DAC,具有1.7Vrms的線驅(qū)動(dòng)器輸出。WM8522是同種產(chǎn)品的一個(gè)6通道版本,設(shè)計(jì)用于多通道音頻系統(tǒng)。兩款芯片都能產(chǎn)生動(dòng)態(tài)范圍大于100dB的音頻信號(hào),這大大的超過了任何的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,因此能滿足消費(fèi)音頻設(shè)備評(píng)論家設(shè)定的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)語
事實(shí)表明,增量累加調(diào)制器的設(shè)計(jì)在不斷地發(fā)展,以滿足市場(chǎng)對(duì)性能和成本的需求。除了改善他們IC的核心架構(gòu),歐勝微電子還不斷地發(fā)現(xiàn)如何向各戶提供在性能、成本節(jié)省和簡(jiǎn)化終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)上更多好處的新途徑。